纳米石墨烯和石墨烯纳米带在材料科学应用的综述与展望

自下而上精准合成的纳米石墨烯（nanographene，NG）和石墨烯纳米带（graphene nanoribbon，GNR）具有独特的电学、光学、磁学性质，在半导体电子器件、生物成像、能源存储、高自旋材料等领域有着广阔的应用。经过二十多年的蓬勃发展，该领域未来的研究方向和重点又该侧重于何处？

近日，德国马克斯•普朗克高分子研究所Klaus Müllen教授/香港中文大学（深圳）丘子杰教授受邀在化学顶级期刊《美国化学会志》（J. Am. Chem. Soc.）上发表前瞻性文章（Perspective），系统总结了NG和GNR的合成发展之路以及在材料科学领域的多样化应用，同时对该领域未来的合成挑战以及材料应用前景进行了展望。

图1. 纳米石墨烯和石墨烯纳米带的结构与多样化应用。

文章首先介绍了基于溶液法下，利用“聚合-石墨化”的策略自下而上精准制备具有不同尺寸和边缘结构的NG和GNR。同时，表面合成方法和技术的发展，主要包括化学气相沉积（CVD）和超高真空技术（UHV），对新型结构的合成和表征起到了重要作用，例如具有锯齿形边缘、杂原子掺杂、稳定缺陷结构（五元环、七元环等）的NG和GNR等。除此以外，非平面因子的引入，例如峡湾边缘结构、非六元环缺陷结构引起高斯曲率的变化以及手性元素，可以对NG和GNR的能级、电子云密度分布以及手性特征等结构特点进行精确调控。

其次，文章对NG和GNR的应用进行了分类，总结了在不同材料科学领域的进展。对其边缘结构进行修饰，引入自旋基团或者缺陷结构，可赋予其作为高自旋材料的可能性；NG的尺寸和自组装调控，使其具有独特的光学特性和应用；扶手椅形GNR的宽度设计和边缘工程修饰丰富了一维拓补相，为基于电子拓扑学一维材料的能带精确调控提供了途径；NG结构的结构精准合成为其在生物体内实现光学成像和诊疗奠定了基础。

最后，作者展望了NG和GNR在未来结构合成和材料应用的可能性。文章强调了理论计算对于实验设计的指导作用，阐述了结构精准合成对于其突破传统应用的重要性，指出了自下而上的大规模制备与合成的高效低成本是未来相关研究需要关注的点。

该前瞻性论文发表于Journal of the American Chemical Society。论文的第一作者为顾彦伟博士后，共同通讯作者为丘子杰教授和Klaus Müllen教授。

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Nanographenes and Graphene Nanoribbons as Multitalents of Present and Future Materials Science

Yanwei Gu, Zijie Qiu*, and Klaus Müllen*

J. Am. Chem. Soc., 2022, DOI: 10.1021/jacs.2c02491